借助 Sitara? AM2x MCU革新實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò )和分析性能

眾所周知，無(wú)論是自動(dòng)化工廠(chǎng)還是自動(dòng)駕駛車(chē)輛領(lǐng)域，人們對自動(dòng)化的需求已經(jīng)在全球產(chǎn)生了深遠的影響。

鑒于工業(yè) 4.0 和工業(yè)自動(dòng)化的大規模發(fā)展，現代智能工廠(chǎng)已經(jīng)呈現出更快的分布式計算、更快的靈活聯(lián)網(wǎng)以及邊緣更加智能等特征。制造機器人、機械輔助和互聯(lián)工廠(chǎng)的設計人員通過(guò)整合先進(jìn)的實(shí)時(shí)計算、泛在網(wǎng)絡(luò )和邊緣分析功能，可添加工業(yè)通信、功能安全和預測性維護等特性。實(shí)現上述發(fā)展需要在實(shí)際設備和云之間建立無(wú)縫連接，因此推動(dòng)了技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的同時(shí)應用。圖 1 表明在自動(dòng)化工廠(chǎng)中，實(shí)時(shí)控制、工業(yè)聯(lián)網(wǎng)和邊緣分析可有效提高效率和生產(chǎn)力。

下面介紹了用于實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化的三大關(guān)鍵技術(shù)支柱。

圖 1 機器人需要更強的性能控制、通信和分析功能

實(shí)時(shí)控制

由于系統對時(shí)間的要求很?chē)栏?，因此在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，系統需具有原始數據處理能力，并能在要求的精確時(shí)間內控制信號。對模擬信號進(jìn)行精確控制非常關(guān)鍵，該過(guò)程可利用改進(jìn)的控制算法來(lái)提高電機驅動(dòng)器的可靠性和電動(dòng)汽車(chē)的效率。因此，上述改進(jìn)算法的處理需求已經(jīng)超出了傳統 MCU 的功能范疇。

工業(yè)聯(lián)網(wǎng)

工廠(chǎng)需要進(jìn)行不同類(lèi)型的數據交換，因此必須快速采用多種工業(yè)以太網(wǎng)標準，從而支持在各機器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。只有實(shí)現這種連接，才能提高系統性能、安全性和可靠性。系統設計人員正在尋求這樣的集成網(wǎng)絡(luò )解決方案：不僅兼容多種不同的協(xié)議標準，而且工作速率高達 1Gbps。

邊緣分析

正如系統級連接可實(shí)現實(shí)時(shí)通信一樣，機器學(xué)習算法的改進(jìn)可促進(jìn)局部?jì)?yōu)化，即每個(gè)機器或節點(diǎn)無(wú)需等待集中式?jīng)Q策即可執行操作。邊緣處理可顯著(zhù)縮短響應時(shí)間，從而實(shí)現更好、更安全的人機協(xié)作。

高性能 MCU 在現代工廠(chǎng)中的作用

正如一個(gè)鏈條的堅固程度取決于其最薄弱的環(huán)節，模數轉換的可靠性也不例外，但在這一鏈條中，MCU 是經(jīng)常被忽視的元素。在電機控制和機器人等許多工廠(chǎng)系統中，這種名不見(jiàn)經(jīng)傳的處理器監督著(zhù)模數轉換和數模轉換過(guò)程，但是，人們的高性能計算和控制需求對處理器的功能提出了更多要求。

TI 的 Sitara AM2x MCU 提高了 MCU 的性能水平，可滿(mǎn)足工廠(chǎng)日益增長(cháng)的自動(dòng)化需求。該產(chǎn)品系列將處理器級計算與 MCU 典型的高能效簡(jiǎn)易封裝和高集成度集為一體，適用于需要精確實(shí)時(shí)控制的應用，還進(jìn)一步實(shí)現了邊緣分析和實(shí)時(shí)多協(xié)議聯(lián)網(wǎng)等新功能，這些功能是提升工廠(chǎng)效率和智能水平的核心所在。圖 2展示了 Sitara AM2x MCU 的核心構建塊：處理內核、網(wǎng)絡(luò )、模擬集成、信息安全和功能安全特性以及定制加速模塊。

Sitara AM2x MCU 系列的第一款器件是 AM2434，如圖 3 所示。該器件包含多種基礎特性，具有四核 R5F處理子系統、靈活的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )引擎（工業(yè)通信子系統[ICSS]）、緊密耦合的模擬外設和支持最新加密標準的安全引擎。

Sitara AM2x MCU 產(chǎn)品系列基礎知識

將 Sitara AM2x MCU 的功能塊歸為幾個(gè)不同的類(lèi)別，有助于說(shuō)明這些器件如何為三大關(guān)鍵技術(shù)支柱實(shí)現更高的性能。組合使用上述功能塊而實(shí)現的片上系統可提供突破性的性能和超低功耗。

高能效處理

第一個(gè)功能塊開(kāi)啟了新的可能性，即多達四個(gè)低功耗 Arm^? MCU 內核均可達到 800MHz 的工作頻率。高能效處理通過(guò)啟用改進(jìn)算法，可提高實(shí)時(shí)控制系統的性能。例如，電機控制系統可通過(guò)測量振動(dòng)幫助防止磨損和減少能耗，還可通過(guò)添加異常檢測功能來(lái)檢測即將發(fā)生的災難性故障。這些新特性需要大幅提高計算能力，而傳統 MCU 由于其時(shí)鐘速率較低而無(wú)法滿(mǎn)足要求。

高性能多核處理是 Sitara AM2x MCU 架構的核心功能，可提供性能、效率和靈活性的優(yōu)勢組合。利用從單核直到四核的靈活擴展以及從 400MHz 至 1GHz 的速率提升，您可在不降低延遲性能的情況下向應用添加功能。當四個(gè) R5F 內核均在 800MHz 頻率下運行時(shí)，AM2434 MCU 可提供高達每秒 6,400 個(gè)實(shí)時(shí)Dhrystone 百萬(wàn)條指令的計算能力，從而實(shí)現實(shí)時(shí)控制。該器件的多核架構還支持在多個(gè)不同的內核之間擴展運算，從而簡(jiǎn)化不同功能以不同時(shí)間間隔運行的軟件調度。例如，將實(shí)時(shí)控制與網(wǎng)絡(luò )分離可降低給定內核的中斷次數，還可更輕松地對所有操作進(jìn)行精密控制。

多協(xié)議網(wǎng)絡(luò )

網(wǎng)絡(luò )已成為下一代智能工廠(chǎng)的關(guān)鍵要素，但隨著(zhù)當前使用多種標準以及 1Gbps 網(wǎng)絡(luò )的推進(jìn)而變得復雜化。 集成的可編程網(wǎng)絡(luò )加速模塊可以幫助實(shí)現支持多協(xié)議的廣泛工業(yè)網(wǎng)絡(luò )方案。傳統 MCU 不能與上述多種協(xié)議進(jìn)行互操作，因此設計人員必須使用外部通信設備，這使得設計的成本和功耗增加。Sitara AM2x MCU 集成了 TI 的 ICSS，后者是一款可編程的靈活、千兆位網(wǎng)絡(luò )引擎。除了工業(yè)工具套件軟件外，ICSS 可實(shí)現對以下工業(yè)協(xié)議的開(kāi)箱即用型連接：PROFINET^? IRT、以太網(wǎng)/Internet Protocol?、EtherCAT^? 和 IO-Link。上述集成無(wú)需使用額外器件，即可輕松實(shí)現工廠(chǎng)連接。

高級模擬集成

高級模擬集成是 Sitara AM2x MCU 架構的另一個(gè)重要方面，可提供高分辨率脈寬調制器 (PWM) 和模數轉換器 (ADC) 等專(zhuān)用的模擬和控制外設。這些外設對于實(shí)現性能提升（如提高電機穩定性或能效）至關(guān)重要。與 TI 其他采用單個(gè)集成解決方案的產(chǎn)品相比，全新的產(chǎn)品系列采用了先進(jìn)的模擬設計。集成上述特性可簡(jiǎn)化系統設計，減少對其他元件的需求，降低成本并加速產(chǎn)品上市時(shí)間。集成的 ADC 和 PWM 可提高整體控制精度并降低延遲，從而實(shí)現低至 3μs 的控制周期時(shí)間。

處理加速器

許多應用具有非常專(zhuān)業(yè)的計算要求，可通過(guò)集成定制加速模塊滿(mǎn)足這些要求。例如，用于駕駛輔助的雷達處理系統需要每微秒計算多個(gè)快速傅里葉變換，這無(wú)疑是可編程內核的艱巨挑戰。旨在支持雷達處理的器件需要專(zhuān)用加速器來(lái)緩解計算壓力。另一個(gè)例子是機器學(xué)習，其中推理引擎的每秒計算量特別大，可能也需要加速模塊支持。添加定制加速模塊可提供超越標準微處理器內核性能的專(zhuān)用處理塊，從而無(wú)需大幅增加成本或功率，即可將上述應用的系統性能提高 10至 100 倍。

集成的安全特性

隨著(zhù)越來(lái)越多的系統實(shí)現互聯(lián)，增強安全性的必要性也與日俱增。在系統范圍內，器件必須包含保護功能，以降低出現安全漏洞的可能性，并符合最新的加密標準。在設計之初，Sitara AM2434 MCU 在可編程安全密鑰和靈活的防火墻配置方面，就特別關(guān)注可提高系統安全性的系統級片上系統設計。隨著(zhù)安全標準的發(fā)展，Sitara AM2x MCU 架構趨于靈活，可通過(guò)適當調整持續符合最新標準。

片上系統設計還需符合工業(yè)和汽車(chē)行業(yè)要求的安全標準，如汽車(chē)安全完整性等級 (ASIL)-D 和 SIL-3。而且片上系統設計支持系統級安全解決方案，開(kāi)發(fā)人員不僅能將集成的 M4F 內核用作系統看門(mén)狗，還能在不間斷運行的情況下對器件的其余部分進(jìn)行預設。網(wǎng)絡(luò )外設還可獨立于主 Arm Cortex?-R5F 處理器運行，實(shí)現無(wú)縫的重新啟動(dòng)。

電源效率

許多要求實(shí)時(shí)控制的系統在很高的環(huán)境溫度下運行，無(wú)冷卻氣流用于降溫。在許多電機驅動(dòng)系統和電動(dòng)汽車(chē)中，環(huán)境溫度可高達 85°C，電子器件幾乎無(wú)法散熱。因此，應特別注意上述環(huán)境中處理器的功率和能效。

Sitara AM2x MCU 產(chǎn)品系列借助功耗小于 1W 的AM2434 MCU 等器件，可顯著(zhù)提高功效，同時(shí)仍提供所有集成和計算性能。因此，該器件可在非常高的溫度下可靠運行，無(wú)需冷卻風(fēng)扇或成本高昂的散熱器。

結束語(yǔ)

很明顯，更高的靈活性和性能趨勢正在突破當前MCU 的限制。對于設計實(shí)時(shí)控制和邊緣系統的設計人員而言，在不增加復雜性的情況下打破性能界限是一項挑戰。Sitara AM2x MCU 系列打破了上述性能界限，將引發(fā)第四次工業(yè)革命。該系列器件旨在優(yōu)化當前系統，足以靈活滿(mǎn)足未來(lái)系統的未知需求。